DE3852532T2 - Liquid crystal display device. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine mehrschichtige Flüssigkristall- Anzeigevorrichtung unter Verwendung eines Prozesses mit verdrillt-nematischer Anzeige, durch den ein schwarz/weiß-Anzeigebild und ein farbiges Anzeigebild mit hohem Kontrast erzeugt werden können.The invention relates to a multilayer liquid crystal display device using a twisted nematic display process, by which a black/white display image and a color display image with high contrast can be produced.
Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen werden nun in Uhren und elektronischen Recheneinrichtungen, in Computerendstellen, Textverarbeitungsanzeigen, Fernsehgeräten und einer Vielzahl anderer Verwendungen auf vielen Gebieten verwendet. In jüngster Zeit entstand extrem große Nachfrage nach Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen wegen Änderungen zu mehrfarbigen und vollfarbigen Anzeigen hin, die bereits auf den Gebieten der graphischen Anzeige und der Bildanzeige verwendet werden. Farbanzeigen, die in großem Umfang praktischer Verwendung zugeführt wurden, werden durch Flüssigkristallzellen mit Farbfilterschichten erzielt. Eine Flüssigkristallzelle arbeitet als Lichtschalter und erzeugt verschiedene Farben. Die hauptsächliche Art des Anzeigemodus ist der verdrilltnematische (TN) Anzeigemodus, der von einer Flüssigkristallzelle erzielt wird, bei der die Flüssigkristallmoleküle um 90º verdrillt sind, wodurch hoher Kontrast usw. erzielt werden kann. Jedoch ist bei diesem TN-Anzeigemodus die Abhängigkeit der Anzeigeeigenschaften von der Wellenlänge des Lichts groß und es ist nicht möglich, gleichmäßiges Schalten von Licht über das gesamte Spektrum sichtbaren Lichts zu erzielen. Insbesondere besteht bei einem Anzeigeprozeß mit Sperrung im Normalzustand, bei dem die Absorptionsachsen der zwei polarisatoren parallel stehen, die Schwierigkeit, daß Lichtleckverluste beim Anlegen der Spannung null zu Farbe führen.Liquid crystal display devices are now used in watches and electronic computing devices, computer terminals, word processing displays, televisions and a variety of other uses in many fields. Recently, extremely large demand has arisen for liquid crystal display devices due to changes to multi-color and full-color displays, which are already used in the fields of graphic display and image display. Color displays, which have been put into widespread practical use, are achieved by liquid crystal cells having color filter layers. A liquid crystal cell works as a light switch and produces various colors. The main type of display mode is the twisted nematic (TN) display mode, which is achieved by a liquid crystal cell in which the liquid crystal molecules are twisted by 90º, whereby high contrast, etc., can be achieved. However, in this TN display mode, the dependence of the display characteristics on the wavelength of light is large, and it is not possible to achieve uniform switching of light over the entire spectrum of visible light. In particular, in a display process with blocking in the normal state in which the absorption axes of the two polarizers are parallel, there is a difficulty that light leakage leads to color when the voltage is zero.
Bei einer Farbanzeigevorrichtung, die das Schalten von Licht unter Verwendung einer TN-Anzeige vollführt, die diese Art Farbfilterschicht aufweist, existieren zwei Hauptarten von Ansteuerverfahren. Eines von diesen beinhaltet ein Aktivmatrix-Ansteuerverfahren, das eine Flüssigkristallzelle verwendet, die über Bildelemente verfügt, die mit nichtlinearen Bauelementen wie Dioden oder Schaltelementen wie Dünnfilmtransistoren versehen sind. Das andere Verfahren ist ein Multiplex-Ansteuerverfahren, bei dem die Flüssigkristalle einer Flüssigkristallzelle ohne Schaltelemente aufeinanderfolgend angesteuert werden. Beim letzteren Verfahren ist die Steilheit in der Nähe des Schwellenwerts der optischen Eigenschaften des Flüssigkristalls wichtig; dies ist eine Schwierigkeit bei TN-Anzeigen, wie sie derzeit verwendet werden. Um die optischen Eigenschaften dahingehend zu verbessern, daß Steilheit in der Nähe des Schwellenwerts erzielt werden kann, wurde ein Prozeß mit superverdrilltem Doppelbrechungseffekt (SBE) vorgeschlagen, wie ihn Flüssigkristallmoleküle ergeben, die mit Winkeln von ungefähr 180º - 270º verdrillt sind. Beim SBE-prozeß steigt die Kurve in der Nähe des Schwellenwerts steil an und selbst wenn das Tastverhältnis ansteigt ist es möglich, ein hohes Kontrastverhältnis zu erzielen. Da jedoch Doppelbrechungseffekte von Flüssigkristallen verwendet werden, ist die Abhängigkeit der Anzeigeeigenschaften von der Wellenlänge theoretisch größer als bei einer TN-Anzeige, so daß es sehr schwierig ist, eine Anpassung zur Verwendung bei einer Vollfarbenanzeige zu erzielen.In a color display device that performs light switching using a TN display having this type of color filter layer, there are two main types of driving methods. One of these involves an active matrix driving method that uses a liquid crystal cell having picture elements provided with nonlinear devices such as diodes or switching elements such as thin film transistors. The other method is a multiplex driving method in which the liquid crystals of a liquid crystal cell are sequentially driven without switching elements. In the latter method, the slope near the threshold of the optical properties of the liquid crystal is important; this is a difficulty in TN displays as currently used. In order to improve the optical characteristics so that steepness can be achieved near the threshold, a super-twisted birefringence (SBE) process has been proposed, which results from liquid crystal molecules twisted at angles of approximately 180º - 270º. In the SBE process, the curve rises steeply near the threshold, and even if the duty ratio increases, it is possible to achieve a high contrast ratio. However, since birefringence effects of liquid crystals are used, the dependence of the display characteristics on wavelength is theoretically larger than that of a TN display, so it is very difficult to achieve adaptation for use in a full-color display.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung zu schaffen, die die vorstehend erörterten und andere Nachteile und Mängel im Stand der Technik überwindet.It is an object of the invention to provide a liquid crystal display device which overcomes the above-discussed and other disadvantages and deficiencies in the prior art.
Aus der älteren UK-Anmeldung GB-A-2 092 769 ist eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung vom Positivtyp bekannt, mit: einer Flüssigkristallzelle mit einer ersten und einer zweiten Zellenschicht, die Flüssigkristallmoleküle mit jeweiligen verdrillt-nematischen Ausrichtungen enthalten, wobei die Flüssigkristallmoleküle der ersten Zellenschicht über einen Verdrillungswinkel verfügen, der den Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle in der zweiten Zellenschicht entgegengesetzt ist, wobei jeweilige Ausrichtschichten der ersten und zweiten Zellenschicht zugeordnet sind; und einer Spannungsanlegeeinrichtung, die funktionsmäßig mit der ersten Zellenschicht verbunden ist, um eine Spannung zum Verändern der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der ersten Zellenschicht anzulegen, wobei die Verdrillungsausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der zweiten Zellenschicht durch die Spannungsanlegeeinrichtung unbeeinflußt bleibt.From the earlier UK application GB-A-2 092 769 a positive type liquid crystal display device is known, comprising: a liquid crystal cell having a first and a second cell layer containing liquid crystal molecules with respective twisted nematic alignments, the liquid crystal molecules of the first cell layer having a twist angle opposite to the twist angle of the liquid crystal molecules in the second cell layer, respective alignment layers being associated with the first and second cell layers; and voltage applying means operatively connected to the first cell layer for applying a voltage for changing the alignment of the liquid crystal molecules in the first cell layer, the twist alignment of the liquid crystal molecules in the second cell layer being unaffected by the voltage applying means.
Aus EP-A-0 131 216 ist auch eine einschichtige, verdrilltnematische Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung mit Verdrillungswinkeln im Bereich 180º - 360º bekannt, bei der der Polarisationszustand von in eine Zellenschicht eintretendem Licht dadurch festgelegt wird, daß die Polarisationsachse einer Polarisationsplatte eingestellt wird, um dadurch eine wesentliche Änderung der optischen Eigenschaften zu erzielen.From EP-A-0 131 216 a single-layer twisted nematic liquid crystal display device with twist angles in the range 180º - 360º is also known, in which the polarization state of light entering a cell layer is determined by adjusting the polarization axis of a polarizing plate in order to thereby achieve a significant change in the optical properties.
Erfindungsgemäß ist eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung vom Positivtyp geschaffen, mit:According to the invention there is provided a positive type liquid crystal display device comprising:
- einer mehrschichtigen Flüssigkristallzelle, die eine erste und eine zweite Zellenschicht beinhaltet, wobei die Zellenschichten Flüssigkristallmoleküle mit verdrillt-nematischer Ausrichtung enthalten;- a multilayer liquid crystal cell comprising a first and a second cell layer, the cell layers containing liquid crystal molecules with twisted nematic alignment;
- wobei die erste Zellenschicht ein Paar transparente Substrate , die einander gegenüberstehen, ein erstes Paar Ausrichtfilme , die auf den Innenseiten der transparenten Substrate ausgebildet sind, wobei die Flüssigkristallmoleküle der ersten Zellenschicht mit verdrillt-nematischer Ausrichtung zwischen dem ersten Paar Ausrichtfilme angeordnet sind, und eine Spannungsanlegeeinrichtung enthält, die die Richtung der langen Molekülachsen jedes der Flüssigkristallmoleküle der ersten Zellenschicht ändern kann;- wherein the first cell layer comprises a pair of transparent substrates facing each other, a first pair of alignment films formed on the inner sides of the transparent substrates, wherein the liquid crystal molecules of the first cell layer are arranged with twisted nematic alignment between the first pair of alignment films, and includes a voltage applying device capable of changing the direction of the long molecular axes of each of the liquid crystal molecules of the first cell layer;
- wobei die zweite Zellenschicht ein Paar transparente Substrate , die einander gegenüberstehen, und ein zweites Paar Ausrichtfilme enthält, die auf den Innenseiten der letzteren transparenten Substrate ausgebildet sind, wobei die Flüssigkristallmoleküle der zweiten Zellenschicht, die verdrillt-nematische Ausrichtung aufweist, zwischen dem zweiten paar Ausrichtfilme vorhanden ist; und- wherein the second cell layer includes a pair of transparent substrates facing each other and a second pair of alignment films formed on the inner sides of the latter transparent substrates, the liquid crystal molecules of the second cell layer having twisted nematic alignment being present between the second pair of alignment films; and
- wobei die Verdrillungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der ersten Zellenschicht umgekehrt zur Verdrillungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der zweiten Zellenschicht ist;- wherein the twist direction of the liquid crystal molecules in the first cell layer is reverse to the twist direction of the liquid crystal molecules in the second cell layer;
- wobei der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle in der ersten Zellenschicht als auch der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle in der zweiten Zellenschicht im Bereich von 180º bis 360º liegen und- wherein the twist angle of the liquid crystal molecules in the first cell layer and the twist angle of the liquid crystal molecules in the second cell layer are in the range of 180º to 360º and
- wobei der Winkel, der zwischen der Ausrichtungsrichtung entlang der Oberfläche des Ausrichtfilms der längeren Achse der Flüssigkristallmoleküle, die der Oberfläche dieses Ausrichtfilms der ersten Zellenschicht am nächsten liegen, die der zweiten Zellenschicht am nächsten liegt, und der Ausrichtungsrichtung entlang der Oberfläche des Ausrichtungsfilms der längeren Achse der Flüssigkristallmoleküle, die der Oberfläche dieses Ausrichtfilms der zweiten Zellenschicht am nächsten liegen, die der ersten Zellenschicht am nächsten liegt, zwischen 70º und 80º oder zwischen 110º und 150º liegt.- wherein the angle formed between the alignment direction along the surface of the alignment film of the longer axis of the liquid crystal molecules closest to the surface of this alignment film of the first cell layer closest to the second cell layer and the alignment direction along the surface of the alignment film of the longer axis of the liquid crystal molecules closest to the surface of this alignment film of the second cell layer closest to the first cell layer is between 70º and 80º or between 110º and 150º.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel liegt der Winkel zwischen den Ausrichtungsrichtungen zwischen 120º und 150º.In a preferred embodiment, the angle between the alignment directions is between 120º and 150º.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle in der ersten und zweiten Zellenschicht einander nahezu gleich und das produkt Δn&sub1; d&sub1; aus der Doppelbrechung Δn&sub1; und der Dicke d&sub1; der Flüssigkristallschicht in der ersten Zellenschicht sowie das Produkt Δn&sub2; d&sub2; aus der Doppelbrechung Δn&sub2; und der Dicke d&sub2; der Flüssigkristallschicht in der zweiten Zellenschicht durch die folgende Ungleichung repräsentiert sind: In a preferred embodiment, the twist angles of the liquid crystal molecules in the first and second cell layers are almost equal to each other and the product Δn₁ d₁ of the birefringence Δn₁ and the thickness d₁ of the liquid crystal layer in the first cell layer and the product Δn₂ d₂ of the birefringence Δn₁ and the thickness d₂ of the liquid crystal layer in the second cell layer are represented by the following inequality:
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Beziehung zwischen der Ganghöhe p der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle in der ersten Zellenschicht und der Dicke d der Flüssigkristallschicht in der ersten Zellenschicht die folgende: In a preferred embodiment, the relationship between the pitch p of the twist of the liquid crystal molecules in the first cell layer and the thickness d of the liquid crystal layer in the first cell layer is as follows:
wobei Θ der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle ist.where Θ is the twist angle of the liquid crystal molecules.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist eine Farbfilterschicht in mindestens einer der ersten und der zweiten Zellenschicht angeordnet.In a preferred embodiment, a color filter layer is disposed in at least one of the first and second cell layers.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält die erste Zellenschicht Bildelemente, wobei ein aktives Bauelement an jedem Bildelement angeordnet ist.In a preferred embodiment, the first cell layer contains pixels, with an active device arranged at each pixel.
So ermöglicht es die hier beschriebene Erfindung, das Folgende zu schaffen: (1) eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung vom Positivtyp, die ein schwarz/weiß-Anzeigebild und ein Farbanzeigebild mit hervorragender Farbwiedergabe und hohem Kontrast erzeugt; und (2) eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung vom Positivtyp, die Vollfarbenanzeige oder Mehrfarbenanzeige erzielt.Thus, the invention described here makes it possible to provide: (1) a positive type liquid crystal display device which can produce a black/white display image and a color display image with excellent color reproduction and high contrast; and (2) a positive type liquid crystal display device that achieves full-color display or multi-color display.
Die Erfindung wird nachfolgend nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:The invention is described below by way of example only with reference to the accompanying drawings in which:
Fig. 1 ein Querschnitt ist, der die grundsätzliche Zellenstruktur einer mehrschichtigen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung gemäß der Erfindung zeigt;Fig. 1 is a cross-sectional view showing the basic cell structure of a multilayer liquid crystal display device according to the invention;
Fig. 2a und 2b Diagramme sind, die die Verdrillung von Flüssigkristallmolekülen nach rechts bzw. links zeigen;Fig. 2a and 2b are diagrams showing the twisting of liquid crystal molecules to the right and left, respectively;
Fig. 3 eine Charakteristikkurve ist, die die Beziehung zwischen dem Ausrichtwinkel der Flüssigkristallmoleküle in der ersten Zellenschicht in der Nähe der zweiten Zellenschicht zur Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der zweiten Zellenschicht in der Nähe der ersten Zellenschicht und dem Kontrastverhältnis zeigt;Fig. 3 is a characteristic curve showing the relationship between the alignment angle of the liquid crystal molecules in the first cell layer near the second cell layer to the alignment of the liquid crystal molecules in the second cell layer near the first cell layer and the contrast ratio;
Fig. 4 eine Charakteristikkurve ist, die die Beziehung zwischen dem Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle und dem Kontrastverhältnis in Anzeigebildern zeigt;Fig. 4 is a characteristic curve showing the relationship between the twist angle of liquid crystal molecules and the contrast ratio in display images;
Fig. 5 eine Charakteristikkurve ist, die die Beziehung zwischen dem Wert Δn&sub1; d&sub1;/Δn&sub2; d&sub2; und dem Kontrastverhältnis zeigt;Fig. 5 is a characteristic curve showing the relationship between the value Δn₁ d₁/Δn₂ d₂ and the contrast ratio ;
Fig. 6a Charakteristikkurven sind, die die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Lichtdurchlässigkeit für die erfindungsgemäße Anzeigevorrichtung gemäß Fig. 1 zeigen;Fig. 6a are characteristic curves showing the relationship between the applied voltage and the light transmittance for the display device according to the invention shown in Fig. 1 ;
Fig. 6b Charakteristikkurven sind, die die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Lichtdurchlässigkeit für ein einschichtiges TN-LCD zeigen;Fig. 6b Characteristic curves showing the relationship between the applied voltage and the light transmittance for a single-layer TN LCD;
Fig. 7a Charakteristikkurven sind, die die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Lichtdurchlässigkeit für andere erfindungsgemäße mehrschichtige Anzeigevorrichtungen zeigen; undFig. 7a are characteristic curves showing the relationship between the applied voltage and the light transmittance for other multilayer display devices according to the invention; and
Fig. 7b Charakteristikkurven sind, die die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und der Lichtdurchlässigkeit für ein anderes einschichtiges TN-LCD zeigen.Fig. 7b are characteristic curves showing the relationship between the applied voltage and the light transmittance for another single-layer TN-LCD.
Die Erfindung schafft eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung, deren grundsätzliche doppelschichtige Zellenstruktur aus einer ersten Zellenschicht C&sub1; und einer zweiten Zellenschicht C&sub2; besteht, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, die Flüssigkristallmoleküle mit verdrillt-nematischer Ausrichtung enthalten. Die erste Zellenschicht C&sub1; weist transparente Substrate 1 aus Glas, Acrylharz oder dergleichen, transparente, leitende Filme 2 aus ITO, einem NESA-Film oder dergleichen, die auf den Substraten 1 angebracht sind, und Ausrichtfilme 3 aus einem anorganischen Film aus SiO&sub2;, SiO oder dergleichen oder einem organischen Film aus Polyimid, Polyvinylalkohol, Nylon, Acrylharzen oder dergleichen für die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle auf, die an den Substraten 1 und den transparenten, leitenden Filmen 2 liegen. Ein polarisator 5a ist an der Rückseite des Substrats 1 der zweiten Zellenschicht C2 angeordnet und ein Detektor 5b ist an der Rückseite des Substrats 1 der ersten Zellenschicht C&sub1; angeordnet. Beide Enden jeder Zellenschicht sind durch Abdichtsubstanzen 6 abgedichtet. Eine Flüssigkristallschicht 4 ist in jeder der Zellenschichten C&sub1; und C&sub2; angeordnet. Die zweite Zellenschicht C&sub2; ist im wesentlichen dieselbe wie die Zellenschicht C&sub1;, mit der Ausnahme, daß sie die transparenten, leitenden Filme 2 nicht aufweist.The invention provides a liquid crystal display device whose basic double-layer cell structure consists of a first cell layer C1 and a second cell layer C2 as shown in Fig. 1, which contain liquid crystal molecules having twisted nematic alignment. The first cell layer C1 comprises transparent substrates 1 made of glass, acrylic resin or the like, transparent conductive films 2 made of ITO, NESA film or the like provided on the substrates 1, and alignment films 3 made of an inorganic film made of SiO2, SiO or the like or an organic film made of polyimide, polyvinyl alcohol, nylon, acrylic resins or the like for aligning the liquid crystal molecules, which are provided on the substrates 1 and the transparent conductive films 2. A polarizer 5a is arranged on the back of the substrate 1 of the second cell layer C2, and a detector 5b is arranged on the back of the substrate 1 of the first cell layer C1. Both ends of each cell layer are sealed by sealing substances 6. A liquid crystal layer 4 is arranged in each of the cell layers C1 and C2. The second cell layer C2 is substantially the same as the cell layer C1 except that it does not have the transparent conductive films 2.
Die Richtung, in der die Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht 4 in einer Zellenschicht schraubenförmig verdrillt sind, ist der Verdrillungsrichtung der Flüssigkristallmoleküle der Flüssigkristallschicht 4 in der anderen Zellenschicht entgegengesetzt. Die Verdrillungsrichtungen der Flüssigkristallmoleküle sind so, wie es in den Figuren 2a und 2b dargestellt ist, wobei Fig. 2a die Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle nach rechts in bezug auf die Richtung zeigt, in der das Licht von einer Lichtquelle auf die Zelle fällt, und Fig. 2b die Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle nach links in bezug auf die Lichteinfallsrichtung zeigt. Wenn eine optisch aktive Substanz zu einem nematischen Flüssigkristall hinzugefügt wird, bilden die Flüssigkristallmoleküle eine verdrillte Struktur. Um zu bewirken, daß die Flüssigkristallmoleküle eine Verdrillung nach rechts erfahren, wird als optisch aktive Substanz diejenige verwendet, die durch die folgende chemische Struktur repräsentiert wird: The direction in which the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 4 in one cell layer are helically twisted is opposite to the twisting direction of the liquid crystal molecules of the liquid crystal layer 4 in the other cell layer. The twisting directions of the liquid crystal molecules are as shown in Figs. 2a and 2b, wherein Fig. 2a shows the twisting of the liquid crystal molecules to the right with respect to the direction in which the light from a light source is incident on the cell, and Fig. 2b shows the twisting of the liquid crystal molecules to the left with respect to the direction of light incidence. When an optically active substance is added to a nematic liquid crystal, the liquid crystal molecules form a twisted structure. In order to cause the liquid crystal molecules to undergo a twist to the right, the one represented by the following chemical structure is used as the optically active substance:
Um zu bewirken, daß die Flüssigkristallmoleküle eine Verdrillung nach links erfahren, werden als optisch aktive Substanzen Cholesterylnonanoat (Merck), S-811 (Merck) usw. verwendet.To make the liquid crystal molecules twist to the left, cholesteryl nonanoate (Merck), S-811 (Merck), etc. are used as optically active substances.
Spannung wird über die transparenten, leitenden Filme 2 an die Flüssigkristallschicht 4 der ersten Zellenschicht C&sub1; angelegt, wodurch die Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle dieser ersten Zellenschicht C&sub1; geändert werden kann. Da an der Flüssigkristallschicht 4 der zweiten Zellenschicht C&sub2; keine transparenten, leitenden Filme 2 angeordnet sind, tritt keine Änderung der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle der zweiten Zellenschicht C&sub2; auf. Die zweite Zellenschicht C&sub2; dient als Kompensator, der das Anzeigemuster der ersten Zellenschicht C&sub1; deutlich macht.Voltage is applied to the liquid crystal layer 4 of the first cell layer C₁ through the transparent conductive films 2, whereby the alignment of the liquid crystal molecules of this first cell layer C₁ can be changed. Since no transparent conductive films 2 are disposed on the liquid crystal layer 4 of the second cell layer C₂, no change in the orientation of the liquid crystal molecules of the second cell layer C₂ occurs. The second cell layer C₂ serves as a compensator which makes the display pattern of the first cell layer C₁ clear.
Fig. 3 zeigt die Beziehung zwischen den Winkeln α der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle in der ersten Zellenschicht C&sub1;, die der zweiten Zellenschicht C&sub2; am nächsten liegen und der Ausrichtung der Flüssigkristallmoleküle der zweiten Zellenschicht C&sub2;, die der ersten Zellenschicht C&sub1; am nächsten liegen, und dem Kontrastverhältnis, wobei die Verdrillungswinkel Θ&sub1; und Θ&sub2; der Flüssigkristallmoleküle in den Flüssigkristallschichten in der ersten und zweiten Zellenschicht C&sub1; und C&sub2; wie folgt eingestellt sind: Θ&sub1; = Θ&sub2; = 270º, und die Werte Δn&sub1; d&sub1; und Δn&sub2; d&sub2; (Δn&sub1; und Δn&sub2; entsprechend der Doppelbrechung der Flüssigkristalle in der ersten bzw. der zweiten Zellenschicht und d&sub1; und d&sub2; sind die Dicken der Flüssigkristallschichten in der ersten bzw. zweiten Zellenschicht) der Flüssigkristallschichten in der ersten und zweiten Zellenschicht wie folgt eingestellt sind: Δn&sub1; d&sub1; = Δn&sub2; d&sub2; = 0,7. Aus Fig. 3 ist erkennbar, daß der Wert von α auf 70º bis 150º eingestellt sein sollte, um ein Kontrastverhältnis zu erzielen, das das 1/2-fache oder mehr des maximalen Kontrastverhältnisses ist.Fig. 3 shows the relationship between the angles α of the alignment of the liquid crystal molecules in the first cell layer C₁ closest to the second cell layer C₂ and the alignment of the liquid crystal molecules of the second cell layer C₂ closest to the first cell layer C₁ and the contrast ratio, where the twist angles Θ₁ and Θ₂ of the liquid crystal molecules in the liquid crystal layers in the first and second cell layers C₁ and C₂ are set as follows: Θ₁ = Θ₂ = 270°, and the values Δn₁ d₁ and Δn₂ d₂ (Δn₁ and Δn₂ correspond to the birefringence of the liquid crystals in the first and second cell layers, respectively, and d₁ and d₂ are the thicknesses of the liquid crystal layers in the first and second cell layers, respectively) of the liquid crystal layers in the first and second cell layers are set as follows: Δn₁ d₁ = Δn₂ d₂ = 0.7. It can be seen from Fig. 3 that the value of α should be set to 70° to 150° in order to obtain a contrast ratio that is 1/2 times or more of the maximum contrast ratio.
Wenn der Wert von α im Bereich von 70º bis 80º oder 100º bis 150º liegt, wegen der Doppelbrechung des Flüssigkristalls in der zweiten Zellenschicht, erzielt die erste Zellenschicht hohe Lichtdurchlässigkeit beim Anlegen der Spannung null und sie erzielt geringe Lichtdurchlässigkeit beim Anlegen einer Spannung; d.h., daß die erste Zellenschicht zu einer Positivanzeige führt. Wenn der Wert von α im Bereich von 80 º bis 100 º liegt, ergibt die erste Zellenschicht den entgegengesetzten Effekt, d.h. eine Negativanzeige.When the value of α is in the range of 70º to 80º or 100º to 150º, due to the birefringence of the liquid crystal in the second cell layer, the first cell layer achieves high light transmittance when the voltage is zero and it achieves low light transmittance when the voltage is applied; that is, the first cell layer gives a positive display. When the value of α is in the range of 80º to 100º, the first cell layer gives the opposite effect, i.e. a negative indication.
Da es erwünscht ist, daß Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen vom Reflexionstyp eine Positivanzeige ergeben, sollte der Wert von α auf 70º - 80º oder 100º - 150º eingestellt sein. Angesichts der Herstelleinfachheit wird er bevorzugt auf 120º - 150º eingestellt.Since it is desired that reflection type liquid crystal display devices give a positive display, the value of α should be set to 70º - 80º or 100º - 150º. In view of the manufacturing ease, it is preferably set to 120º - 150º.
Die Flüssigkristallschichten sind so beschaffen, daß die folgende Beziehung erfüllt sein kann, da maximales Kontrastverhältnis vorliegt: The liquid crystal layers are designed in such a way that the following relationship can be fulfilled, since maximum contrast ratio is present:
Wenn der Anzeigekontrast und die Erkennbarkeit berücksichtigt werden, wie in Fig. 4 dargestellt, wird der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle auf Grundlage der Beziehung zwischen dem Verdrillungswinkel und dem Kontrastverhältnis im Bereich von ungefähr 180º bis ungefähr 360º eingestellt. Wenn der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle 360º überschreitet, tritt eine Domäne auf, in der die Ausrichtung von Flüssigkristallen beim Anlegen von Spannung fehlgeordnet wird, was zu Lichtstreuung führt, die leicht zu einer Kontrastverringerung führt.When the display contrast and visibility are taken into account, as shown in Fig. 4, the twist angle of the liquid crystal molecules is set in the range of about 180° to about 360° based on the relationship between the twist angle and the contrast ratio. When the twist angle of the liquid crystal molecules exceeds 360°, a domain occurs in which the alignment of liquid crystals is disordered upon application of voltage, resulting in light scattering, which easily leads to a reduction in contrast.
Fig. 5 zeigt die Beziehung zwischen dem Wert von (Δn&sub1; d&sub1;)/(Δn&sub2; d&sub2;) und dem Kontrastverhältnis, wobei α = 110º und Θ&sub1; = Θ&sub2; = 270º, sind, was anzeigt, daß der Wert von (Δn&sub1; d&sub1;)/(Δn&sub2; d&sub2;) so eingestellt werden sollte, daß er grösser als 0,7 und kleiner als 1,4 ist (0,7 < (Δn&sub1; d&sub1;)/(Δn&sub2; d&sub2;) < 1,4), um ein Kontrastverhältnis zu erzielen, das das 1/2- fache oder mehr des maximalen Kontrastverhältnisses ist. Der Absolutwert jeder der Größen Δn&sub1;, d1, Δn&sub2;, und d&sub2; wird vorzugsweise so eingestellt, daß er im Bereich von 0,3 bis 3,0 liegt.Fig. 5 shows the relationship between the value of (Δn1 d1)/(Δn2 d2) and the contrast ratio, where α = 110° and Θ1 = Θ2 = 270°, indicating that the value of (Δn1 d1)/(Δn2 d2) should be set to be larger than 0.7 and smaller than 1.4 (0.7 < (Δn1 d1)/(Δn2 d2) < 1.4) in order to achieve a contrast ratio that is 1/2 times or more of the maximum contrast ratio. The absolute value of each of Δn₁, d1, Δn₂, and d₂ is preferably set to be in the range of 0.3 to 3.0.
Wenn die Flüssigkristallvorrichtung mit dem Multiplexansteuerverfahren durch eine Spannungsanlegeeinrichtung angesteuert wird, um eine scharfe Schwellencharakteristik für den Kontrast zu erzielen, wird die spezielle Ganghöhe p der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle sehr wichtig. Das Verhältnis der Dicke d der Flüssigkristallschicht zur Ganghöhe p der Verdrillung der Flüssigkristallmoleküle, d/p, wird vorzugsweise unter Verwendung experimenteller Daten wie folgt eingestellt: When the liquid crystal device is driven by the multiplex driving method by a voltage applying means in order to obtain a sharp threshold characteristic for contrast, the specific twist pitch p of the liquid crystal molecules becomes very important. The ratio of the thickness d of the liquid crystal layer to the twist pitch p of the liquid crystal molecules, d/p, is preferably set using experimental data as follows:
wobei Θ der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle ist. Diese Forderung gilt für den Fall, daß der Vorneigungswinkel der Flüssigkristalle ungefähr 10 º oder weniger beträgt.where Θ is the twist angle of the liquid crystal molecules. This requirement applies when the pretilt angle of the liquid crystals is approximately 10º or less.
Fig. 1 zeigt eine doppelschichtige Zellenstruktur einer erfindungsgemäßen Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung (d.h. ein doppelschichtiges TN-LCD), bei der das transparente Substrat 1 aus Glas besteht. Ein transparenter, leitender Film 2 mit einer Dicke von ungefähr 1500 Å wird auf jedem der Glassubstrate 1 alleine der ersten Zellenschicht C&sub1; durch Dampfniederschlagung von ITO abgeschieden und durch eine Ätztechnik gemustert. Auf dem Glassubstrat 1 und den transparenten, leitenden Filmen 2 werden Flüssigkristallmolekül-Ausrichtfilme 3 aus Polyimid mit einer Dicke von ungefähr 1000 Å durch ein Schleuderbeschichtungsverfahren ausgebildet, deren Oberfläche durch Reiben mit einem Tuch behandelt wird, was dazu führt, daß die Flüssigkristallmoleküle in verdrillt-nematische Ausrichtung gelangen. Die Endabschnitte der Zellenschichten werden durch eine Abdichtsubstanz 6 abgedichtet.Fig. 1 shows a double-layered cell structure of a liquid crystal display device (i.e., a double-layered TN-LCD) according to the present invention, in which the transparent substrate 1 is made of glass. A transparent conductive film 2 having a thickness of about 1500 Å is deposited on each of the glass substrates 1 of the first cell layer C1 alone by vapor deposition of ITO and patterned by an etching technique. On the glass substrate 1 and the transparent conductive films 2, liquid crystal molecule alignment films 3 made of polyimide having a thickness of about 1000 Å are formed by a spin coating method, the surface of which is treated by rubbing with a cloth, causing the liquid crystal molecules to be in twisted nematic alignment. The end portions of the cell layers are sealed by a sealing substance 6.
Der Wert von α wird auf 135º eingestellt. Als Flüssigkristallsubstanz wird der nematische Flüssigkristall ZLI-3281 (Merck) verwendet. Der Flüssigkristallschicht 4 der ersten Zellenschicht C&sub1; werden 0,94 Gewichts-% CB15 zugesetzt, und 1,1 Gewichts-% Cholesterylnonanoat werden der Flüssigkristallschicht 4 der zweiten Zellenschicht C&sub2; zugesetzt. Der Verdrillungswinkel der Flüssigkristallmoleküle in der ersten Zellenschicht C&sub1; ist demjenigen der Flüssigkristallmoleküle in der zweiten Zellenschicht C&sub2; entgegengesetzt, wobei Θ&sub1; = Θ&sub2; = 270 º gilt. Die Dicke der Flüssigkristallschicht sowohl in der ersten als auch der zweiten Zellenschicht C&sub1; und C&sub2; (d.h. die Dicke jeder der Zellenschichten C&sub1; und C&sub2;) beträgt 5 um, d.h. d&sub1; = d&sub2; = 5 um. P hat ungefähr den Wert 8 um. Der Vorneigungswinkel der Flüssigkristallmoleküle auf dem Substrat 1 beträgt ungefähr 8º. Der Polarisator 5a und der Detektor 5b, die aus einer Polarisationsplatte aus dem Jod-System bestehen, sind unter einem gegenseitigen Winkel von ungefähr 45º angeordnet. Die Fig. 6a und 6b zeigen die Äbhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der angelegten Spannung für ein doppelschichtiges TN-LCD gemäß der Erfindung, bzw. für ein einschichtiges Standard-TN-LCD als Bezug, wobei die hierbei für die Farben rot, grün und blau verwendeten Wellenlängen 610 nm, 550 nm bzw. 450 nm anzeigt, wobei erkennbar ist, daß beim Anlegen einer Spannung nahe dem Schwellenwert die Durchlässigkeit für die Wellenlänge für jede Farbe bei der doppelschichtigen Zelle geringer ist als für die Wellenlänge für jede Farbe in der einschichtigen Zelle. Dies bedeutet, daß die doppelschichtige Zelle höheren Kontrast erzielen kann. Darüber hinaus ist die Wellenlängenabhängigkeit der Charakteristik Anlegespannung/Durchlässigkeit für die doppelschichtige Zelle viel kleiner als die Wellenlängenabhängigkeit der Charakteristik Anlegespannung/Durchlässigkeit für die einschichtige Zelle und demgemäß kann die doppelschichtige Zelle ein deutliches schwarz/weiß-Anzeigebild vom Positivtyp erzeugen.The value of α is set to 135°. As the liquid crystal substance, nematic liquid crystal ZLI-3281 (Merck) is used. 0.94 wt% of CB15 is added to the liquid crystal layer 4 of the first cell layer C₁, and 1.1 wt% of cholesteryl nonanoate is added to the liquid crystal layer 4 of the second cell layer C₂. The twist angle of the liquid crystal molecules in the first cell layer C₁ is opposite to that of the liquid crystal molecules in the second cell layer C₂, where θ₁ = θ₂ = 270°. The thickness of the liquid crystal layer in both the first and second cell layers C₁ and C₂ is (i.e., the thickness of each of the cell layers C1 and C2) is 5 µm, i.e., d1 = d2 = 5 µm. P is approximately 8 µm. The pretilt angle of the liquid crystal molecules on the substrate 1 is approximately 8º. The polarizer 5a and the detector 5b, which consist of an iodine system polarizing plate, are arranged at a mutual angle of approximately 45º. Figures 6a and 6b show the dependence of light transmittance on applied voltage for a double-layer TN-LCD according to the invention and for a standard single-layer TN-LCD as a reference, respectively, with the wavelengths used for red, green and blue colors being 610 nm, 550 nm and 450 nm, respectively, and it can be seen that when a voltage is applied close to the threshold value, the transmittance for the wavelength for each color in the double-layer cell is lower than for the wavelength for each color in the single-layer cell. This means that the double-layer cell can achieve higher contrast. Furthermore, the wavelength dependence of the application voltage/transmittance characteristic for the double-layer cell is much smaller than the wavelength dependence of the application voltage/transmittance characteristic for the single-layer cell and accordingly the double-layer cell can produce a clear black/white positive-type display image.
Dieses Beispiel schafft eine andere erfindungsgemäße Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung, die dieselbe Struktur wie diejenige des Beispiels 1 hat, mit der Ausnahme, daß 0,75 Gew.-% CB15 zur Flüssigkristallschicht 4 der ersten Zellenschicht C&sub1; zugesetzt werden und 0,84 Gewichts-% Cholesterylnonanoat zur Flüssigkristallschicht 4 der zweiten Zellenschicht C&sub2; zugesetzt werden und darüber hinaus die Verdrillungswinkel Θ&sub1; und Θ&sub2; der Flüssigkristallmoleküle in der ersten und zweiten Zellenschicht C&sub1; und C&sub2; jeweils auf den Wert 240º eingestellt werden (d.h. Θ1 = Θ&sub2; = 240º). Fig. 7a zeigt die Abhängigkeit der Lichtdurchlässigkeit von der angelegten Spannung für das erfindungsgemäße doppelschichtige TN-LCD und Fig. 7b zeigt dieselbe Charakteristik wie eben genannt für ein einschichtiges Standard-TN-LCD zum Bezug, wobei die hier untersuchten Wellenlängen λ 610 nm für rot, 550 nm für grün und 450 nm für blau sind. Die Fig. 7a und 7b zeigen, daß die Durchlaßeigenschaften bei den Wellenlängen für rot, grün und blau bei der doppelschichtigen Zelle gleichmäßiger sind als diejenigen für diese Wellenlängen bei der einschichtigen Zelle, so daß ein deutliches schwarz/weiß-Anzeigebild vom positivtyp erzielt werden kann. Darüber hinaus verfügt diese doppelschichtige Zelle über eine scharfe Schwellencharakteristik, so daß die Zelle ein Anzeigebild mit hohem Kontrast erzeugen kann.This example provides another liquid crystal display device according to the present invention, which has the same structure as that of Example 1, except that 0.75 wt% of CB15 is added to the liquid crystal layer 4 of the first cell layer C1 and 0.84 wt% of cholesteryl nonanoate is added to the liquid crystal layer 4 of the second cell layer C2, and furthermore, the twist angles Θ1 and Θ2 of the liquid crystal molecules in the first and second cell layers C1 and C2 are each set to 240° (i.e., Θ1 = Θ2 = 240°). Fig. 7a shows the dependence of light transmittance on applied voltage for the double-layer TN-LCD of the present invention, and Fig. 7b shows the same characteristic as just mentioned for a standard single-layer TN-LCD for reference, where the wavelengths λ studied here are 610 nm for red, 550 nm for green, and 450 nm for blue. Figs. 7a and 7b show that the transmittance characteristics at the wavelengths for red, green, and blue for the double-layer cell are more uniform than those for these wavelengths for the single-layer cell, so that a clear black-and-white positive-type display image can be obtained. In addition, this double-layer cell has a sharp threshold characteristic so that the cell can produce a high-contrast display image.
Innerhalb der Flüssigkristallzelle-Schicht mit Spannungsanlegeeinrichtung bei jeder der Anzeigevorrichtungen der vorstehend genannten Beispiele werden Farbfilter(rot, grün und blau)-Schichten aus einem Gelatinefilm angebracht. Die Anzeigevorrichtungen mit den Farbfilterschichten werden einer Multiplexansteuerung unterzogen, wobei ein deutliches, klares Farbbild erzeugt wird. Diese Flüssigkristall-Anzeigevorrichtungen sind für Vollfarbenanzeige und Mehrfarbenanzeige geeignet.Inside the liquid crystal cell layer with voltage applying means in each of the display devices of the above examples, color filter (red, green and blue) layers made of a gelatin film are provided. The display devices with the color filter layers are subjected to subjected to multiplexing, producing a clear, crisp color image. These liquid crystal display devices are suitable for full-color display and multi-color display.
Erfindungsgemäße Flüssigkristallzellen werden anstelle einer Flüssigkristalltafel mit Farbfiltern verwendet, die mit einem TFT (Dünnfilmtransistor) als aktivem Bauteil versehen ist, und sie werden hinsichtlich Farbanzeigeversuchen bei Aktivmatrixansteuerung untersucht. Sie erzeugen ein deutliches und klares Farbbild, so daß sie für Vollfarbenanzeige und Mehrfarbenanzeige von Nutzen sind.Liquid crystal cells according to the invention are used in place of a liquid crystal panel with color filters provided with a TFT (thin film transistor) as an active device, and are examined for color display experiments in active matrix drive. They produce a clear and distinct color image, so that they are useful for full-color display and multi-color display.
Es ist zu beachten, daß dem Fachmann verschiedene andere Modifizierungen deutlich sind und von diesem leicht ausgeführt werden können, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, wie sie durch die beigefügten Ansprüche definiert ist.It is to be understood that various other modifications will be apparent to and can be readily made by those skilled in the art without departing from the scope of the invention as defined by the appended claims.
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